Beleuchtung mit 50cm Samsung 98x LED-Panele

    Ich möchte die Samsung 98x LM301 B/H Austreifen verwenden.

    Ziel ist eine hohe Effizienz zu erreichen sowie eine gute Kühlung da die Umgebung auch mal ein paar Grad wärmer werden könnte.

    Ich plane mal mit Worst-case 35°C Umgebungstemperatur und das die LED´s nicht weit über die 50°C kommen sollen.

    Ich habe mir dazu überlegt mit Aluminiumprofilen mit Nutsystem zu arbeiten.
    Um die Temperatur der LED im Betrieb zu errechnen habe ich die Informationen die mir bei LED-Tech sowie Crescience (die haben eine Wärmestudie) zur Verfügung standen benutzt um das zu errechnen.

    Vielleicht ist das Ergebnis für den einen oder anderen Interessant :)
    Ausgangspunkt waren (jeweils pro 0.5m Strip umgerechnet)

    - Leistung in Watt

    - Masse des Kühlmaterials (Gewicht pro Meter ist oft in Spezifikationen der Aluprofile zu finden)

    - Temperaturanstieg in einem bestimmten Setup

    - Masse / Watt Verhältnis


    Durch das Masse / Watt Verhältnis habe ich meine X-Achse, auf der Y-Achse habe ich den jeweiligen Temperaturanstieg dargestellt. Durch eine quadratische Regression (die ich einfachhalber grafisch durchgeführt habe), konnte ich eine Funktion ermitteln die mir die Temperatur für eine bestimmte Konfiguration ausrechnet.

    Datenvalidierung.

    Die Daten oben sind, mit Ausnahme des einen Datensatzes von LED-Tech auf 40x40 Aluprofile bezogen.


    Da mir ein Datensatz von 20x40 mm Aluprofilen zur Verfügung steht habe ich diesen genommen um die Funktion zu validieren (in blau).

    Die Erwartung wäre eine ähnliche Kurve, nur leicht verschoben, je nachdem ob man die LED an die schmälere oder breitere Seite montiert.

    Voila, genau das kam dabei heraus, das Modul ist auf der breiten Seite montiert, die erreichte Temperatur ist tatsächlich niedriger, genau wie erwartet, ein gutes Zeichen für mein Modell :)

    Jetzt da ich ein mathematisches Modell habe um die Kühlleistung für die LED-Alustreifen zu berechnen kann ich in die Planung gehen.


    Dazu habe ich den tollen Calculator auf der LED-Tech Seite für die 50cm Samsung 98x LED-Profile verwendet um die Leistungsaufnahme abzulesen sowie das Gewicht der jeweiligen Profile verwendet um damit meine neue Funktion zu füttern :)


    Damit habe ich eine Vorhersage wie hoch der Temperaturanstieg bei den jeweiligen Konfigurationen werden wird.


    Das Modell hat natürlich Grenzen, so war die Umgebungstemperatur der Ausgangsdaten 20-25°C, bei Crescience wurde keine Wärmepaste verwendet und die Profile direkt aufs Profil geschraubt.
    Aber um wenigstens eine ungefähre Idee zu haben sollte es ausreichen.


    Plant man dann noch einen entsprechenden Puffer ein hat man hoffentlich ein halbwegs brauchbares Tool um einzuschätzen ob die geplante Kühlleistung für das eigene Setup ungefähr ausreicht.



    Zum Schluß noch ein paar verwendete Rohdaten zum Nachvollzug.
    20x20mm Profil = 0.46 kg/m
    30x30mm Profil = 0.8 kg/m

    40x40mm Profil = 1,78 kg/m

    led-tech Profil = 1 kg/m

    Hier noch die Werte für das Profil von Led-Tech aus meiner Funktion :)


    Hier sieht man schön meinen Schätzwert das z.B. bei 2.8A (=57 Watt) der Temperaturanstieg vermutlich über 40°C betragen wird wenn es auf das LED-Tech Profil geschraubt wird.


    X-Achse ist auch hier die Masse an Aluminium des Profils in Gramm pro Watt Leistung (500g pro 50cm).

    Y-Achse (das nach oben) ist die erreichte Temperatur zusätzlich zu der Umgebungstemperatur.


    Gegen x=0 geht die Funktion gegen unendlich, das ist natürlich in der Praxis nicht so, die LED werden nicht unendlich heiß :´D
    In Extrembereichen hat so eine Approximation einfach Ihre Grenzen.

    Dein Problem ist eigentlich schon lange gelöst gewesen. Weshalb versuchst du das Rad neu zu erfinden, und machst es dazu auch noch eckig? Warum ist wohl der Wärmewiderstand eines Kühlkörpers immer in Datenblättern angegeben, dessen Masse wie du schreibst aber nur manchmal?


    Bitte obige Ironie nicht falsch verstehen, du hast das bestimmt gut gemeint aber mir geht wriklich jeglicher Sinn dahinter ab. Ich sehe darin wirklich weder Nutzen noch Sinn, aber kann sein, dass ich etwa übersehen habe.

    Hallo,
    danke für dein Kommentar.

    Das hat 2 Gründe.


    Zum einen ich habe leider von den Werten auf Kühlkörpern keine Ahnung und weiß auch nicht wie ich damit den Temperaturanstieg ausrechnet. Ok, das könnte ich mit etwas einlesen womöglich fix nachholen :)


    Der zweite ist das, vor allem Profile, gar keinen Wärewiederstand angegeben haben. Ich habe bei led-tech und crescience nur diese Zahlen bekommen. Aluprofile mit Nut haben überhaupt keinen Wärmewiederstand angegeben, diese würde ich aber gerne zum Selbstbau verwenden.


    Gerne lerne ich aber dazu wie du mir erzählt wie ich das anders hinkriege :)


    Für mich war das super hilfreich, da ich jetzt weiß das ein 30x30 Modul pro Streifen für mein Setup von 1.05 A völlig ausreicht und das mit Zahlen untermauert habe, das schützt mich vor Anfängerfehlern, ich bin erst seit ein paar Tagen in diesem Thema drin und habe noch keine Ahnung.

    Die gesamte Rechnung ging mir auch recht flott von der Hand.

    Zitat von Cossart

    Du hast übersehen, daß Wärmewiderstände meist nur für dedizierte Kühlkörper angegeben werden, aber nicht für Profile, auf denen LED-Leisten montiert werden.

    Stimmt. Aber für Alublech schon. Und U-Profil Kühlkörper auch


    Nach obiger Annahme müsste ein flacher Alublock genauso gut kühlen wie ein U-Profil gleicher Masse, offensichtlich ist dem ja nicht so. Entscheidend ist doch vielmehr, dass die Wärme von den LEDs über den Kühlkörper an die Umgebung weitergeleitet wird, und nicht nur "in" den Kühlkörper.

    Bei der Aussage "dem ist offensichtlich nicht so", verfallen Mathematiker in blankes Entsetzen :)


    Ich habe zufällig die Messwerte für das CoverLine Profil von LED-Tech sowie ein Alu-U-Profil 23.5 x 23x5 x 1.5 in einem Forum gefunden, wir können das Modell also überprüfen - Juchuuu !!!!!
    Es geht nichts über Fakten, das wäre jetzt die Bewährungsprobe.


    Die rote Kurve ist meine Schätzung.

    Schwarz sind Real-Life Messwerte für das CoverLine Profil

    Orange sind Real-Life Messwerte für das U-Profil.


    Los gehts :)


    Der Erwartungswert der schwarzen Punkte wäre das diese genau auf der roten Line (meine Schätzung) liegen. Natürlich nicht genau, wer weiß wie da mit Wärmeleitpaste hantiert wurde, etc. eine gewisse Abweichung ist deshalb unausweichlich.


    Bei den Orangenen Punkte (U-Profil) werden diese "irgendwie" verschoben sein. Ich würde erwarten vermutlich eher etwas links da die Profile eine sehr große Oberfläche im Vergleich zur Masse haben und deshalb recht gut kühlen, deshalb sind die erreichten Temperaturen niedriger, da die Wärme gut abtransportiert wird.


    Voila, genau das kam heraus, meine Schätzung hat sich bewiesen, die Werte passen super, schau gerne mal die Grafik an :)

    Die schwarzen Werte sind etwas "schlechter" (vermutlich ohne Wärmeleitpaste, da wurde ja eine riesige Messreihe gemacht)


    Wie gut die Werte sind zeig noch folgendes, ich hatte zuerst keine Angabe der Umgebungstemperatur, also habe ich anhand der Grafik auf 26°C geschätzt. Später habe ich den Wert noch gefunden, er war genau 26 °C ;)


    Meine "kleine KI" funktioniert.
    KI deshalb da das Verfahren exakt dem entspricht was bei künstlicher Intelligenz auch gemacht wird um Vorhersagen zu treffen, eine Approximation mit einem Polynom 2ten Grades kann man durchaus schon als kleine KI bezeichnen :)
    Wir hätten auch ein neutrales Netz nehmen können, aber da da die Funktion ohnehin nur exponentiell ist käme eh das gleiche raus, das wäre keine Verbesserung.

    Die Masse spielt bei der Wärmeabgabe an die Umgebung kleine Rolle, sondern die Oberfläche. Ein Würfel erwärmt sich schnell und gleichmäßig, wird seine Wärme aber schlecht an die Umgebung los, weil ihm Oberfläche fehlt. Eine Metallfolie gleichen Materials und gleichen Gewichts, wird punktförmig erhitzt, kann auf Grund geringer Dicke aber die Wärme nicht weiterleiten und verteilen.

    Der Trick besteht nun darin, konstruktiv einen Kompromiss zu finden. Meist ist das eine dicke Grundplatte, die nach außen hin dünner wird und sich in viele Bleche, Stifte, Lamellen oder Finnen aufteilt, um so für viel Oberfläche zu sorgen.

    Wie gut das gelungen ist, sagt der Wert K/W aus.

    Um x Watt abführen zu können und maximal y Grad über die maximal zulässige Umgebungstemperatur zu kommen darf der Kühlkörper maximal z K/W haben.

    Dafür ist zu beachten, das das zu kühlende Bauelement einen inneren Wärmewiderstand hat (in dessen DB angegeben) und der Übergangswiderstand vom Bauelement auf den KK auch nicht Null ist.

    Man sollte bei der Montage also Sorgfalt walten lassen und möglichst an einem genormten Punkt der Hitzequelle und am KK messen und die Werte vergleichen, ob sie mit den Berechnungen übereinstimmen o. ggf. sogar etwas besser ausfallen.

    Sehr gute Punkte Superluminal und sehr interessant, danke für die Infos. Das ist genau die angenehme Form von Austausch weshalb ich mir die Mühe hier mache, jetzt habe ich auch einiges gelernt :)


    Sehr guter Punkt mit der Bestimmung der Messwerte, wie und wo gemessen wurde kann die Schätzung ja noch mal enorm verfälschen.

    Wenn ich so recht überlege bin ich selbst überrascht wie gut es unter den Umständen zu funktionieren scheint wie die Ergebnisse im letzten Post zeigen.


    Das ist das faszinierende an solchen Algorithmen oder was mir bei KI gerade sehen, die einzelnen Fehler mitteln sich weg dann wird es oft so präzise das alle überrascht sind was möglich ist :)

    Danke Superluminal. Schön erklärt, nur mit Physik und ganz ohne KI :)


    Zitat von lagarto

    Bei der Aussage "dem ist offensichtlich nicht so", verfallen Mathematiker in blankes Entsetzen :)

    schreibts und hängt ein Diagramm mit unbeschrifteten Achsen hin :) Dank der Erklärung nun hoffentlich auch für dich offensichtlich.


    Nenn mich verbohrt, aber ich sehe immer noch keinen Mehrwert in der Rechnung.

    Und im Diagramm sehe ich zwei Messreihen, bei denen

    a) relativ ähnlich die Temperatur (Y-Achse) in Abhängigkeit des Stroms ansteigt. Nicht ganz unerwartet würde ich sagen.

    b) Bei gleichem Strom (1,75A) zeigt aber das Profil mit höherer Masse (X-Achse) die höhere Temperatur. Verstehe ich nicht.

    c) Und weshalb steigt mit fallendem Strom die Masse des Profils?

    Mit der thermischen Masse kann man nur ermitteln, wie lange der Kühlkörper braucht um auf Betriebstemperatur zu kommen. Will man die Betriebstemperatur ermitteln, muss man zwischen den Messungen ausreichend Zeit verstreichen lassen. Bei der CoverLine sind das z.B. mindestens 30 Minuten, besser mehr. Bei größerer thermischer Masse ist entsprechend mehr Zeit nötig. Hält man die Wartezeiten nicht ein, ist die Messung ungültig.


    Die Wirkungsweise eines Kühlkörpers beruht auf der Wärmeabgabe an die Umgebung. Das funktioniert auf 2 Arten:

    1. Wärmeübertragung an die umgebende Luft

    2. Wärmeabstrahlung (Infrarot)


    In beiden Fällen steigt die Wärmeabgabe mit steigender Temperaturdifferenz zwischen Kühlkörper und Umgebung. Der bei Kühlkörpern angegebene Wärmewiderstand in K/W ist folglich kein Fixwert sondern bezieht sich auf eine bestimmte Wärmeleistung. Bei den Strangkühlkörpern von u.a. Fischer bezieht sich der Wärmewiderstand typischerweise auf eine Temperaturdifferenz von 100 K. Das hängt damit zusammen, dass diese Kühlkörper ursprünglich für Siliziumhalbleiter gedacht waren, welche eine deutlich höhere Sperrschichttemperatur vertragen als LEDs.

    Bei Verwendung für LEDs sollte man gut 50% hinzugeben, also z.B. statt 2 K/W reale 3 K/W.


    Der einzige mir bekannte Hersteller, der diese Abhängigkeit in einem Datenblatt darstellt, Ist MechaTronix. Hier ein Beispiel für den ModuLED nano:

    MechaTronix Kühlkörper ModuLED nano


    Dabei ist weiterhin zu beachten, dass der angegebene Wärmewiderstand dieser Kühlkörpertypen nur für eine annähernd punktförmige Wärmequelle auf der vorgesehenen Montagefläche gilt, bei LEDs also für COB-LEDs oder Leistungs-LEDs auf Alukern- bzw. Kupferkernplatine.


    Nach diesen Ausführungen sollte auch klar sein, dass es prinzipbedingt nicht möglich ist, für Aluminiumprofile einen Wärmewiderstand anzugeben. Hier werden ja lineare LED-Leisten montiert, die die Wärmeabgabe gleichmäßig auf eine große Fläche verteilen.


    Hier kann man sich aber mit einem kleinen Trick behelfen um die abführbare Leistung abzuschätzen.


    Für das Abschätzen des Wärmewiderstands eines annähernd quadratischen Aluminiumblechs gibt es ein Nomogramm:


    Nehmen wir an, wir wollen eingangs erwähnte LED-Leiste auf einem 50 cm langen U-Profil aus eloxiertem Aluminium mit der Kantenlänge 2x2x2 cm montieren. Dieses Profil unterteilen wir jetzt gedanklich in 5 cm lange Teilstücke. Faltet man jetzt das Teilstück auf, ergibt sich ein Blech von 5 cm x 6 cm mit einer Fläche von 50 mm x 60 mm = 3000 mm².

    Im Nomogramm ziehen wir jetzt die waagerechte Linie 1 auf Höhe von 3000 mm² zur ersten Diagonalen unten links. Vom Schnittpunkt ziehen wir die senkrechte Linie 2. Oben links sind 3 Blechstärken angegeben. Vom dortigen Schnittpunkt wird die waagerechte Linie 3 zu den Leistungslinien gezogen (im Beispiel 1,5 mm). Wenn wir mal von 2 W Leistung für dieses Teilstück ausgehen, ziehen wir vom dortigen Schnittpunkt die senkrechte Linie 4 bis zu den Linien für die Materialtypen. Beim Schnittpunkt für waagerecht montiertes eloxiertes Aluminium wird die waagerechte Linie 5 gezogen. Diese Linie zeigt uns jetzt rechts den ungefähren Wärmewiderstand von 15 K/W an:

    Jetzt kann man die 10 Teilstücke gedanklich wieder zusammen fügen und erhält bei einer LED-Leistung von 20 W eine Temperaturdifferenz von ca. 30 K.


    Die gestrichelten Linien gelten für eine Leistung von 1 W je Teilstück, dabei ergibt sich ein Wärmewiderstand von ca. 18 K/W. 10 W LED-Leistung erwärmen den Kühlkörper also um etwa 18 K.


    Was die CoverLine V2 betrifft, kann ich nur als Erfahrungswert sagen, dass man auf 1 m Länge problemlos eine LED-Leistung von ca. 60 W nutzen kann.


    Übrigens:

    Die Eignung eines Kühkörpers bzw. Profils über die thermische Masse ermitteln zu wollen ist schlicht und einfach Unsinn.


    Noch ein Nachtrag:

    Hier ist die Entwärmung mit allen Zusammenhängen recht gut beschrieben:

    Physik der Entwärmung